新型装配式混凝土框架结构节点设计探索研究

    余小燕 蒋华

    摘 要：装配式混凝土框架结构梁柱连接的方式制约了装配式混凝土框架结构的发展。本文研究的新型装配式混凝土框架结构节点借鉴了钢结构节点连接方式，给混凝土的梁纵向受力钢筋设“翼缘板”，然后用螺栓连接“翼缘板”从而大大简化了梁受力钢筋的连接问题。

    关键词：装配式混凝土框架结构；螺栓连接；连接板

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.103

    0 前言

    装配式建筑通过工厂标准化批量生产部件，工地拼装的模式创造建筑，显著地减少工地湿作业，在减少城市噪音和污染，提高生产效率方面有着显著的前景优势。近几年我国装配式建筑的发展得到政府的大力支持。然而从实施装配式的工地施工情况来看，传统的施工方式粗放，混凝土预制构件笨重，对准安装精度难以满足装配式建筑施工要求，从而施工效率不高。

    1 当前装配式钢筋混凝土框架结构的发展状况

    自2013年国务院办公厅2013[1]号文件《绿色建筑行动方案》，明确将“推广建筑工业化，发展绿色建筑”列为重要任务以来我国装配式建筑得到快速发展，尤其是装配式剪力墙结构已经在高层建筑中有一定的发展，然而在普通多层建筑中发展却不尽如人意。

    普通多层建筑物传统的结构方案以框架为主。而框架结构做装配式存在以下难点：（1）做钢结构可以很好的实现装配式，但造价高；（2）做混凝土框架标准件数量不多，批量生产的产量不大，厂家难以盈利；（3）施工要求精度高，节点体积大，重量大，吊装就位难。虽然早在1992年我国就出版了《钢筋混凝土装配整体式框架节点与连接设计规程》，但在为数不多的装配式框架结构项目中构件受力钢筋的连接对准依然困难，严重影响了施工进度。在这样的情况下，培养专业的施工班组，对框架结构中钢筋连接方式做改进，以提升容错率，提高装配效率，有助于加速装配式钢筋混凝土框架结构的发展。

    2 提出新型装配式框架节点的方案，并探讨可行性

    装配式混凝土框架的做法分为节点预制和节点现浇两种。节点预制法是将受力复杂钢筋密集的节点预制，保障了节点的质量，但要兼顾各个方向梁柱钢筋同时对准，施工难度大；除此之外，一根框梁就需要有两个后浇连接处，一根柱子也要两个后浇连接处。后浇节点多对现场的施工也造成较大的影响。节点现浇是将梁柱构件预制，留出节点区域在工地现场后浇，优点是后澆节点减少，但在核心区受力钢筋密集，难以有效对准连接。本文探讨的是在节点现浇时，提升梁纵向受力钢筋容错率的新型连接方法。

    显然钢结构建筑物在装配式生产和施工方面有着得天独厚的优势。结构轻且连接简便可靠，缺点是易失稳。而混凝土框架节点连接的难点就在钢筋对准和传力上。本次纵向受力筋连接设计就是将钢结构节点连接的方式引入到混凝土结构中，并做试验验证可行性。

    从普通混凝土构件中受力钢筋的分布不难看出柱的钢筋围绕截面周边布设，梁的钢筋主要集中在梁截面的上部和下部。与钢结构中构件受力翼缘的分布位置相同，而钢柱和钢梁翼缘都是连续的。钢结构构件是借助节点板和螺栓实现节点连接。如果将混凝土结构中钢筋受力有效传递给“翼缘板”，那么受力“翼缘板”自然可以用螺栓连接。同类建筑相比混凝土构件自重较钢结构建筑大。后浇节点必需传递较大的由自重带来的荷载效应。而钢构件通常比较轻薄易失稳。但当轻薄钢节点被混凝土点包裹起来对节点板形成一个牢固的约束，必然会大大提高节点板的承载力。如框架结构中，受力钢筋的锚板锚固就是钢筋借助钢板将荷载传递给混凝土的实例。

    由此初步拟定将梁受力钢筋端部焊接在钢板上，在钢板上开孔，将钢筋与钢筋之间的对准连接转换成两块钢板之间的螺栓连接。螺栓孔采用长圆孔，将会提高节点的容错率。

    3 新型框架节点纵向钢筋连接的试验

    根据上述思路方案设计试验模型。试验模型立面图如图1所示，为平面框架内中间柱与梁之间连接的节点。中间柱为CD，横梁AB。CD柱截面尺寸400x400，横梁截面250x450。梁上部配置3根直径20的二级钢筋，下部两根直径20 的二级钢筋。箍筋为直径8的二级钢筋。柱配置8根直径22的二级钢筋。梁纵向钢筋在梁柱连接处借助连接钢板，采用8.8级M20高强螺栓摩擦型连接。试验模型加载如图2所示。钢板和钢筋及开孔状况如图3所示。

    应变片的分布简述。在节点板长边侧顶和底连接缝处设置应变片，在节点板短边侧缝上下设置应变片，梁和柱纵向钢筋顺钢筋长向设置应变片。

    加载方案简述。通过螺旋式千斤顶手动加载荷重显示仪显示荷载，每次加载10kN左右，然后静置10分钟，此时应变显示仪应变数据趋于平稳，记载对应的应变值。

    4 试验结果及分析

    由于试验条件的限制，试验未能进行到节点破坏阶段。但从记录的试验数据显示荷载在38kN逐级变化到66kN时，受拉侧节点三个关键位置处钢筋应变增量为18με，节点板短边侧缝应变上182με，下-148με，平均18με，节点板底上应变285με，下应变-227με，平均29με。从试验数据来看弯矩作用下节点位置处，钢筋的应变<节点板短边侧（上，下）应变<节点板长边侧（顶，底）应变。节点板拼缝处应变增量大于钢筋应变增量。从试验过程来看，节点板长边顶和底应变显著大于受力钢筋的原因，可能是两个连接板之间螺栓没有实现摩擦型连接造成。由此可以推测，当节点螺栓采用摩擦型连接，减小连接板和螺栓之间的变形，将使传力更加有效。

    当只是单侧加载时，对侧钢筋应变和节点板上的应变均有增量，且应变增量均小于加载侧钢筋应变增量。

    这样的节点对钢筋对准要求低，容错率高，能满足普通的传力需求，且对螺栓孔对准精度不高。可以在弯矩不大的的普通截面梁中使用。

    本文依托于湖北省教育厅科研计划项目“装配式混凝土建筑节点设计研究 ”，项目编号：B2017359

    作者简介：余小燕（1977-），女，湖北黄冈人，硕士研究生，工程师，研究方向：装配式混凝土建筑节点设计研究。